CCS水電站廠房區地應力特征

張黨立 姚 陽 楊繼華 婁國川 魏 斌

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司）

1 引 言

對工程而言，地應力具有較強的工程意義，對地應力認識不足或處理不當，可產生諸多工程地質問題，如基坑變形、邊坡破壞、地下洞室巖爆等，地應力對巖體的滲流也有一定影響，并影響對地下洞室圍巖類別的判定，進而對工程設計有重大影響。據不完全統計，中國約半數的水電站工程采用地下場房，在大型水電工程中，地下廠房采用的比例更高。

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站位于科卡河上，總裝機容量1 500MW，是該國戰略性能源工程，也是世界上規模最大的沖擊式機組水電站。CCS水電站年均發電量約87億（kW·h），是中國公司在海外獨立承擔設計的規模最大的水電工程之一。該工程主要水工建筑物主要由有首部樞紐、輸水隧洞、調蓄水庫、壓力管道及地下廠房等組成。地下廠房洞室群由主廠房、主變室、母線洞、上層排水廊道、下層排水廊道、尾水洞、通風洞、進場交通洞、高壓電纜洞等洞室群組成。

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站采用地下廠房，主廠房尺寸212.00 m×26.00 m×46.80 m（長×寬×高），頂拱高程646.80 m，底板高程600.00 m，上覆巖體厚度約124.00～260.00 m，廠房軸線為315°。

2 區域地質概況

CCS水電站工程區位于科迪勒拉山系的東部斜坡，整體處于安第斯山脈至亞馬遜平原的過渡區段內，地貌以中高山為主，地形起伏較大，地勢總體呈西高東低。地層主要為一單斜地層，巖層總體傾向NE，傾角大多為5～10°，西部地區為中生界變質巖及侵入體，東部地區則主要為侏羅系Misahualli 火山巖及火山沉積巖，上覆白堊系沉積巖及第四系松散堆積物。

工程區屬安第斯山脈科迪勒拉山系，受強烈的地質構造運動影響，地形起伏較大，原因主要有以下三個方面：構造運動造成地臺上升；第四系以來頻繁的火山活動以及河流形成過程中強烈的侵蝕切割作用。區域地質構造運動主要位于工程區西部與東南部，在區域上大體可分為7 個地質構造單元，見圖1。廠房區位于Sinclair構造帶內。

3 地應力場特征

3.1 古應力場分析

地應力是在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因使地殼物質產生了內應力效應。古應力場的判斷可以從共軛構造（斷層、節理及褶皺等）分析。從圖1 可以看出，區域上看近以發育兩組較大的共軛斷層，即沿Salado河的斷層和沿Coca河的斷層，從這兩條區域斷層判斷，古應力場為近EW向。

3.2 現代應力場分析

影響地應力的因素較多，主要有地質構造、地層巖性、地形地貌、地下水、地溫及火山活動等。工程區內南、北發育兩座活火山，該兩座火山所產生的地質運動使地殼呈NNW 向擠壓。所產生的最大主應力方向為NNW向。

廠房區主要發育有三組節理，分別為：①140～170°∠70～85°，整體平直粗糙，充填1～2 mm 鈣膜或閉合無充填，延伸較長，局部＞10.00 m，平均0.50～1.00 條/m。②230～260°∠70～80°，整體平直粗糙，充填方解石脈或者泥質條帶，寬度2.00～3.00 mm，局部約10.00 mm，少數高嶺土化，延伸長度5.00～10.00 m，局部＞20.00 m。③40～50°∠5～15°，該組結構面局部發育較集中，數量較少，延伸較長，＞20 m，充填2.00～3.00 mm巖屑或者無充填，平直粗糙，約1 條/m。該三組節理總體走向皆為NW 向，以文7 所介紹的方法對現代應力進行了分析，主應力方向也呈NNW向。

3.3 地應力實測

為了確定廠房地區的應力狀態，采用水壓致裂法在4個鉆孔中進行了地應力測試，成見表1及圖2。

根據測試結果分析，廠房區最大主應力為8.00～10.00 MPa，方向為315～340°。該區的構造應力作用并不強烈，應力值不高。

3.4 廠房區地應力特征與地下廠房軸線布置

經過對古應力場及現代應力場的分析，及鉆孔地應力實測，廠房區地應力具有以下特征：①區域整體應力場為近EW向的應力場；②受火山的影響，現代應力場呈現NNW向為主；③廠房區最大主應力為8.00～10.00 MPa，方向為315～340°。該區的構造應力作用并不強烈，應力值不高。

地下廠房的布置受工程總布置、地質條件等因素影響。工程總體自西向東引水，且為了尾水排泄，此決定了廠房軸線方向宜在315～45°之間選擇。

據前述巖體節理根構造面和地應力情況綜合分析，確定廠房縱軸線方向為315°，與節理裂隙有較大夾角，與最大主應力方向平行，對廠房圍巖的穩定有利。

根據施工開挖揭露，廠房區圍巖類別以Ⅱ類、Ⅲ類為主，開挖過程中未發現明顯的巖爆、片幫等工程地質問題，說明廠房軸線的選擇是合理的。

4 結 語

地應力的方向和大小水平對地下建筑物的布置有較大影響，為了減少地應力對地下建筑物的影響，避免產生由于地應力產生的工程地質問題，對地下工程，特別是深埋地下工程，對地應力的勘察要加以重視，前期勘察階段應做好相應的勘察工作。地下建筑物軸線布置一般應與主應力方向接近或小角度相較，以減小地應力的影響。通過對厄瓜多爾CCS水電站工程區古應力場、現代應力場及廠房區地應力實測結果，給地下廠房的工程布置提供了重要參考。